Простейшие электронные схемы с описанием работы6

Простейшие электронные схемы с описанием работы6
Простейшие электронные схемы с описанием работы6
Простейшие электронные схемы с описанием работы6
Простейшие электронные схемы с описанием работы6

1

2 Л. П. Плеханов ОСНОВЫ САМОСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 2-е издание (электронное) Москва БИНОМ. Лаборатория знаний 2015

3 УДК ББК П38 П38 Плеханов Л. П. Основы самосинхронных электронных схем [Электронный ресурс] / Л. П. Плеханов. 2-е изд. (эл.). Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 211 с.). М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". ISBN В монографии подробно представлены начальные понятия, принципы работы, свойства, поведение и построение самосинхронных схем. Приведены примеры комбинационных и последовательностных схем, а также результаты экспериментальной проверки их уникальных свойств. Изложение ведется с позиций нового, функционального, подхода, основанного на исследовании логических функций, описывающих элементы схем, без привлечения методов теории автоматов. Аналогов данного подхода ни в отечественной, ни в зарубежной литературе не отмечено. Для специалистов по дискретной электронике, аспирантов и студентов этого направления. Может также использоваться как для начального ознакомления, так и для учебного процесса. УДК ББК Деривативное электронное издание на основе печатного аналога: Основы самосинхронных электронных схем / Л. П. Плеханов. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, с. : ил. ISBN В соответствии со ст и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN c БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013

4 Оглавление Предисловие 6 Глава 1. Введение в самосинхронику Проблемы работы и особенности цифровых схем Самосинхронные схемы и их свойства Экспериментальная проверка уникальных свойств СС-схем Физический подход к достижению самосинхронности Об используемой терминологии 23 Глава 2. Теоретические основы самосинхронных схем Принципы построения и работы СС-схем Индикация Двухфазная дисциплина Обратная связь Самосинхронизирующиеся коды Основа теории СС-схем модель и теория Маллера Модель Маллера и независимость от задержек Применимость модели Маллера для элементов и их соединений Базовые элементы СС-схем Общая структура базовых элементов для СС-схем Самосинхронные базовые элементы КМДП-технологии Событийный и функциональный подходы в самосинхронике Типы сигналов и интерфейс СС-схем в функциональном подходе Индицируемость необходимое свойство разомкнутых СС-схем Полная и частичная индицируемость 58 Глава 3. Основы построения самосинхронных схем Подходы к созданию СС-схем Методы событийного подхода NCL-методология Особенности разработки СС-схем в функциональном подходе 63

5 4 Оглавление 3.2. Способы индикации в СС-схемах Глобальная индикация Схемы редукции Построение комбинационных СС-схем Парафазное преобразование Связь ПФС-преобразования и индикации СС-секции Общий порядок построения комбинационных СС-схем Синтез СС-секций Правила манипулирования сигналами в СС-схемах Контрольные сигналы ПФС-сигналы Бистабильные сигналы Создание последовательностных СС-схем Использование бистабильных ячеек Самосинхронные запоминающие ячейки Самосинхронные автоматы Самосинхронные конвейеры Проблема задержек трасс после разветвлений 114 Глава 4. Примеры самосинхронных схем Комбинационные схемы Дешифратор Мультиплексор Демультиплексор Схема равнозначности Полусумматор Сумматор одноразрядный Схемы с памятью Индикаторные триггеры Информационные триггеры Параллельные регистры Последовательные регистры Счетчики Преобразование моносигналов в самосинхронные 142 Глава 5. Анализ схем на самосинхронность Начальные и основные состояния Дисциплина входных наборов Согласованное замыкание Константное замыкание Событийные методы анализа (замкнутых схем) Прямой метод по диаграммам переходов (ДП) Метод диаграмм изменений 157

6 Оглавление Полнота анализа Обеспечение полноты в событийном подходе Функциональный метод анализа разомкнутых схем (ФМА) Задачи анализа разомкнутых схем Формирование входных значений, обеспечение полноты Проверка индицируемости элементов Определение параметров взаимодействия с окружением Проверка состязаний Анализ других логических неисправностей Иерархический метод анализа (ИМА) Задачи ИМА Проверка правильности соединений фрагментов Проверка индицируемости сигналов Проверка соблюдения дисциплины БС-сигналов Получение параметров интерфейса главной схемы 185 Глава 6. Автоматизация проектирования сс-схем Система ФОРСАЖ (группа В. И. Варшавского) Отдельные программы анализа (ИПИРАН) САПР СС-схем промышленного назначения РОНИС (ИПИРАН) 189 Послесловие 192 Литература 195 Список сокращений 200 Словарь терминов 201 Приложение. Решение логических уравнений и систем 207 П. 1. Одно уравнение 207 П. 2. Система уравнений с одной неизвестной 207 П. 3. Система уравнений с несколькими неизвестными 208

7 Предисловие Дискретные электронные схемы отличаются огромным разнообразием, но все они могут быть разделены на два больших класса: синхронные и асинхронные (здесь и далее выделяются курсивом термины, поясняемые либо прямо в тексте, либо в глоссарии в конце книги). Синхронные схемы появились и развивались первыми, продолжая господствовать в промышленности и в настоящее время. Асинхронные схемы имеют ряд преимуществ перед синхронными и получили большое развитие в последние 2 3 десятилетия. Их исследование и построение оформились в отдельное направление электроники асинхронику. Публикации в этом направлении в последние годы растут лавинообразно. По сложившейся традиции все компромиссные (при тех или иных ограничениях) и смешанные (синхронно-асинхронные) решения относят также к асинхронике. Тем не менее в силу производственной и, как следствие, ментальной инерции асинхронные схемы не достигли сопоставимого с синхронными уровня промышленного развития. Самосинхронные схемы относятся к асинхронным схемам (детали существующей не очень строгой терминологии приведены в книге далее). Они реализуют «чистый», бескомпромиссный подход в асинхронном построении схем и потому обладают свойствами, недостижимыми при смешанных и компромиссных подходах. Одни отрасли техники развиваются эволюционно, последовательно, благодаря усилиям многих специалистов. Развитие других можно назвать революционным, происходящим благодаря единичным, прорывным публикациям, открывающим неизвестные ранее пути. Развитие самосинхронных схем (первоначально и они назывались просто асинхронными) относится к революционному типу. Оно связано с разработками двух выдающихся ученых, которых можно считать классиками в асинхронике. Конечно, они имели сотрудников и соавторов, но, несомненно, были центральными фигурами в своих прорывных исследованиях. Это американский профессор Дэвид Маллер (David Е. Muller) и российский профессор Виктор Ильич Варшавский. В далекие уже 50-е годы XX века дискретные схемы назывались «переключательными» и строились на основе ламповых, транзисторных (транзисторы только появились) и даже релейно-контактных элементов. Хотя для элементов дискретных схем существовали и асинхронные прототипы, практические схемы строились с обязательной синхронизацией, так как иные способы тогда не были известны.

8 Предисловие 7 Дэвид Е. Маллер ( ). Фото 1959 г. (с разрешения архива Иллинойского университета) В этих условиях 30-летний профессор прикладной математики Иллинойского университета (США) Д. Маллер задался вопросом об альтернативном способе построения переключательных схем. Тогда практической потребности в этом не было, но сыграл свою роль исследовательский дух. В результате в 1957 году появилась «Теория асинхронных схем» [1] (опубликована в 1959 году), ставшая одним из фундаментов современной асинхроники. По прошествии лет можно утверждать, что это действительно выдающаяся, классическая работа. Простой и строгий язык, отточенные формулировки и доказательства, полная завершенность. Открыта (доказана) возможность существования асинхронных схем, определены и исследованы их свойства и поведение, сформулированы критерии их распознавания. Не оставлено никаких неясностей, на все возможные теоретические вопросы есть ответы. В современную асинхронику вошли термины «теория Маллера», «гипотеза задержек Маллера», «модель Маллера», «C-элемент Маллера». Разработанный в теории способ определения отсутствия состязаний сигналов остается и поныне базовым критерием для таких схем. Следует отметить, что «Теория асинхронных схем» чисто математическая работа. Возможно, поэтому она долгое время не была востребована в электронике.

9 8 Предисловие Д. Маллер участвовал в одном из проектов ILLIAC серии ЭВМ Иллинойского университета в 50-е годы. Однако асинхронные схемы там не пошли как из-за их необычности, так и оттого, что производственная база экономически не была готова для реализации таких схем. Первый фактор, в отличие от второго, действует и по сей день. В этой теории Маллер опередил свое время. В дальнейшем в своих исследованиях он перешел к другим математическим проблемам теории автоматов, формальных языков и иным. Теория асинхронных (самосинхронных) схем «зависла» на долгие 20 лет. Причина заключалась в том, что из этой теории никак не следовали способы построения конкретных схем, даже простейших, типа самосинхронного элемента И-НЕ или счетного триггера. Такие способы были разработаны В. И. Варшавским с сотрудниками. В начале 70-х годов Варшавский был уже известным специалистом в теории автоматов. Столкнувшись однажды с трудностью формального синтеза, казалось бы, простого триггера, Варшавский и сотрудники предприняли широкий поиск литературы, в процессе которого и «открыли» для себя теорию Маллера. Эта теория стала основой их исследований и разработок в области уже конкретных самосинхронных схем. В итоге были предложены методы целенаправленного построения практических схем, названных самосинхронными, и множество типовых решений. Результаты этих работ изложены в книгах [2, 3] и многих статьях. Варшавский со своей группой получили около 180 авторских свидетельств и патентов по самосинхронным схемам, за что сам руководитель был удостоен звания «Изобретатель СССР». Плодотворная деятельность группы Варшавского, увы, остановилась на этапе внедрения. Группа выиграла всесоюзный конкурс Министерства электронной промышленности на разработку и изготовление самосинхронных микросхем, но произошло это летом 1991 года. Последовавшие политические и экономические преобразования сделали реализацию проекта невозможной. Через некоторое время костяк группы во главе с Варшавским отбыл в международный университет Аизу (Япония). Но и там, в силу упомянутой промышленной инерции, не удалось реализовать какиелибо проекты конкретных микросхем. В начале нового века члены группы рассеялись по разным странам и городам, и группа как целое перестала существовать. Последняя большая публикация группы книга [4].

10 Предисловие 9 Виктор Ильич Варшавский ( ) В России на данный момент направление самосинхронных схем развивается единственной группой специалистов в составе Института проблем информатики РАН (ИПИРАН). Эта группа на рубеже х годов сотрудничала (в качестве заказчика) с группой Варшавского и хорошо знакома со всеми ее работами. Усилия группы ИПИРАН направлены на проектирование конкретных самосинхронных схем, разработку методов и программных средств их создания. На счету группы полтора десятка патентов на самосинхронные схемы, публикации и доклады в научных изданиях и на конференциях. С работой группы можно ознакомиться на ее сайте (дочернем сайте ИПИРАН). В настоящее время из-за все большей коммерциализации электроники среди фирм-изготовителей стало модным называть свои изделия самосинхронными (в том или ином варианте термина) с целью привлечения клиентов и заказчиков. Оценить «самосинхронность» таких изделий не представляется возможным, так как схемы их не публикуются. Приводимые же иногда фрагменты схем, «объясняющие» самосинхронность, недостаточны, поскольку это свойство нелокально; более того, порой такие фрагменты показывают как раз обратное невозможность самосинхронности.

11 10 Предисловие В мире выходит огромное количество публикаций по асинхронным схемам. Подавляющее большинство их не связано с асинхронностью по Маллеру: главным признаком асинхронности считается просто отсутствие глобальной синхронизации. Признаком самосинхронности многие авторы считают запрос-ответное взаимодействие блоков схем. Такое взаимодействие улучшает некоторые характеристики схем, но не является достаточным условием самосинхронности. Публикуются также исследования схем с истинной самосинхронностью. Это работы в русле Маллера Варшавского, имеющие явно выраженный теоретический характер и относящиеся в основном к теории автоматов и сетям Петри. Работы Д. Маллера и группы Варшавского также относятся к области теории автоматов. И те, и другие оказались слишком трудны для практических разработчиков электронных схем. В результате сложилась ситуация, когда разработчики электронной аппаратуры либо совсем не знают, либо слабо представляют, как работают самосинхронные схемы и чем они отличаются как от синхронных, так и от других асинхронных схем. Единственной методологией, позволяющей разрабатывать самосинхронные схемы, является методология Null Convention Logic (NCL) [5] фирмы Theseus Research Incorporated. NCLметодология появилась в конце 1990-х годов и изложена без упоминания основополагающих работ Маллера и Варшавского. Методология, по-видимому, претендующая на новизну, содержит ряд далеко не новых приемов. Одна из главных ее основ двухфазная дисциплина была предложена группой Варшавского в [2] за 20 лет до появления NCL. В последней предлагается жесткая конвейерная структура построения схем с запрос-ответным взаимодействием, также давно известная, и ограниченный набор базовых элементов. С одной стороны, это позволило избежать больших проблем проектирования, но, с другой стороны, получаемые схемы весьма далеки от оптимальности. По разным оценкам, имеющимся в литературе, такие схемы в 2,5 4 раза избыточнее по числу транзисторов сравнительно с другими возможными решениями и соответственно неоптимальны по быстродействию и энергопотреблению. Следует отметить также, что фирма только пропагандирует методологию, но изделий по ней не выпускает, заказы на проектирование не принимает и программных средств не предоставляет. Более подробно NCL-методология рассмотрена далее в книге.

12 Предисловие 11 Таким образом, при немалом числе теоретических работ по самосинхронике весьма велик дефицит литературы, доступной большинству разработчиков схем и систематически излагающей все аспекты создания самосинхронных схем от теории до практики. Настоящая книга предназначена по возможности заполнить этот пробел.

13 Глава 1 Введение в самосинхронику 1.1. Проблемы работы и особенности цифровых схем Отличительные особенности самосинхронных схем (СС-схем) связаны с надежностью их функционирования. Термины, относящиеся к надежности, определены в стандарте [6] и ниже будут выделены кроме курсива жирным шрифтом. Одна из главных проблем работы цифровых электронных схем возникновение ошибок. Ошибки в данном случае это несоответствие значений сигналов внутри схемы и на ее выходах правильным значениям, предусмотренным при их создании. Ошибки могут порождаться внешними воздействиями и внутренними причинами. Внешние воздействия связаны с такими факторами, как электромагнитные наводки, удары энергичных элементарных частиц, влажность, перегрузки и другие подобные явления. Вопрос защиты от внешних воздействий составляет отдельное направление исследований и не является предметом данной книги. Внутренние причины ошибок обусловлены способом построения схемы и условиями, в которых она работает. Таких внутренних причин две. 1. Состязания сигналов (гонки) на элементах, т. е. такие изменения входов элементов, которые вызывают ошибочные изменения их выходов и, как результат, выходов всей схемы. 2. Возникновение отказов схемы. Отказы происходят при потере физической работоспособности внутренних структур, вызванной условиями работы: температурой, напряжением питания, а также старением и другими процессами. На примере состязаний можно объяснить синхронный и асинхронный принципы работы схем. Собственно, синхронный принцип и возник как способ избежать состязаний.

14 1.1. Проблемы работы и особенности цифровых схем 13 Доказано (и это практически очевидно), что любой логический элемент, имеющий два или более входов, подвержен состязаниям. Рассмотрим логический элемент на рис. 1.1, а. Рис Логический элемент (а) и элемент с блокирующим сигналом C (б) В любом элементе всегда найдется пара входов, например x 1 и x 2, обладающая следующим свойством: если x 1 меняется первым, а x 2 вторым, то выход y не меняется; если же сначала меняется x 2, а затем x 1 (с некоторой задержкой), то на выходе y появится импульс, как правило, нежелательный. Этот эффект и составляет сущность гонок. Причины неодновременного, рассогласованного изменения сигналов известны: разброс параметров и, соответственно, задержек схемы, старение, влияние нагрузок, температуры, напряжения питания и других факторов. Поскольку при произвольном порядке изменений входных сигналов элементов избежать гонок невозможно, единственным путем борьбы с ними будет упорядочение этих изменений, т. е. введение дисциплины сигналов. Дисциплина сигналов состоит в том, что в работе схемы или ее частей чередуются два периода: в одном периоде изменения входов допустимы (разрешенный период), а в другом нет (запрещенный период). Одним из простейших способов организации дисциплины является введение блокирующего сигнала (рис. 1.1, б, сигнал C). Разрешенный и запрещенный периоды определяются его значениями: на рисунке при C = 1 запрещенный, при C = 0 разрешенный период. Синхронный принцип реализуется тем, что блокирующий сигнал подается от тактового генератора, который и определяет оба периода. Как правило, тактовый генератор является общим (глобальным) для всей схемы. Асинхронный принцип отличается от синхронного тем, что либо блокирующего сигнала нет и дисциплина организуется другим способом, либо, если он есть, формируется локально и не связан с глобальным тактированием.

15 14 Глава 1. Введение в самосинхронику Разнообразие возможных дисциплин при асинхронном принципе порождает и большое разнообразие асинхронных схем. Например, широко известна так называемая соседняя дисциплина, когда в разрешенный период (см. рис. 1.1, а) допускается изменение только одного входного сигнала. При изменении одного сигнала гонок не возникает. Запрещенный период в этом случае необходим для подготовки схемы к следующему циклу. Возможность возникновения гонок сильно зависит от способа формирования разрешенного и запрещенного периодов. В синхронном принципе эти периоды выбираются априорно, исходя из худшего случая и «с запасом», когда можно считать, что изменения сигналов (переходные процессы) закончились. В этом принципе текущие (фактические) изменения задержек элементов схемы, по сути, не учитываются, что и является причиной возможных гонок. В асинхронном принципе периоды, как правило, не постоянны, и принимаются те или иные меры согласования их длительностей с текущими задержками. В ряде асинхронных реализаций для этого используются определенные допущения и предположения. Например, в соседней дисциплине запрещенный период должен превышать длительность переходных процессов, инициированных в разрешенном периоде. Другой пример «моделирование» задержки некоторого фрагмента схемы цепочкой инверторов. Здесь предполагается, что при одинаковых внешних условиях задержка фрагмента и цепочки инверторов меняется одинаково. Тем не менее во всех подобных случаях избежать несоответствия априорных оценок характеру действительных процессов не удается, и эти несоответствия могут порождать гонки. Принципиальным отличием самосинхронного принципа является то, что оба периода определяются не предположительно, а по фактическому окончанию переходных процессов. И как бы ни менялись задержки элементов в этом случае, гонки возникнуть не могут. Вернемся к проблеме ошибок. Радикальным решением этой проблемы было бы устранение двух названных их причин. В существующих подходах (помимо самосинхронного) гонки не могут быть устранены полностью. Можно устранить их в какомлибо блоке, но в окружающих его схемах надо обеспечить дисциплину сигналов для этого блока. Окружающие схемы, однако, для ликвидации гонок тоже требуют обеспечения дисциплины в своих окружениях и т. д. Задача оказывается нереальной. А каково идеальное решение для второй причины ошибок? Предвидеть отказы при работе схемы невозможно, однако ошибок не будет, если сразу после отказа схема остановится и не выдаст на выходах

16 1.2. Самосинхронные схемы и их свойства 15 непредусмотренных значений. В книге [3] данное свойство называется самопроверяемостью (в действующем стандарте [6] самопроверка). Однако более близкий стандартный термин, отражающий это свойство, отказобезопасность, определяемая как «свойства изделия, ориентированные на сохранение безопасности в случае отказа». Это общее понятие конкретизируется для рассматриваемого свойства в следующем разделе. Уникальность и замечательность самосинхронных схем состоят в том, что они реализуют практически идеальное решение: гонки в них отсутствуют полностью и отказобезопасность также обеспечена, поскольку схемы останавливаются при возникновении отказов по широкому набору наиболее значимых причин Самосинхронные схемы и их свойства Название «самосинхронные схемы» впервые появилось в работах Варшавского с сотрудниками. В книге [3] такие схемы еще назывались апериодическими или самосинхронизирующимися, но позже авторы перешли на термин «самосинхронные». Теория самосинхронных схем основана на теории Маллера [1]. Условия применения теории для таких схем получили название модели Маллера. В ней принято, что задержки элементов приведены к их выходам, а задержки межсоединений после разветвлений пренебрежимо малы по сравнению с задержками элементов. Под элементом понимается устройство, имеющее один выход и описываемое одним логическим уравнением. Задержка элемента может иметь любое конечное значение. Более подробно об элементах СС-схем рассказано в главе 2. В теории Маллера рассматриваются схемы, удовлетворяющие данной модели и имеющие свойство полумодулярности [1]; этот термин поясняется в разделе 2.3. Подобные схемы были названы speedindependent, что по-русски можно передать как независимые от задержек элементов по Маллеру (НЗЭМ). В работах Варшавского с сотрудниками [2, 3] доказано, что самосинхронные схемы кроме свойства НЗЭМ имеют еще и диагностические свойства. По мнению авторов, «решающим достоинством апериодических схем являются их самодиагностические свойства». Более точное описание самосинхронности приведено в главе 5, а с внешней, потребительской точки зрения можно дать такое определение [7].

17 16 Глава 1. Введение в самосинхронику Самосинхронной схемой (СС-схемой) называется схема, обладающая двумя свойствами безошибочной работы: отсутствием гонок при любых конечных задержках элементов; отказобезопасностью. Отсутствие гонок обеспечивается свойством НЗЭМ. Отказобезопасность СС-схем понимается как остановка (прекращение изменений сигналов), вызванная константными неисправностями типа залипания на 0 и 1 на выходах (КНЗ-01), т. е. сохранением постоянных значений 0 или 1 на выходах одного или нескольких элементов. В технической диагностике цифровых схем они считаются наиболее частыми и практически наиболее значимыми. Действительно, такую неисправность можно толковать как задержку бесконечной величины, а СС-схема, ожидая переключения элементов, в этом случае останавливается. Остановка СС-схем на выходные неисправности элементов гарантируется их построением. Кроме того, эти схемы могут останавливаться и по отношению к ряду других логических неисправностей, в частности залипаний на входах элементов. Безопасность СС-схем в случае отказов, во-первых, означает отсутствие непредусмотренных значений, во многих случаях опасных, на их выходах. Во-вторых, она позволяет строить схемы, способные к самопроверке и самотестированию, т. е. обнаруживающие ошибки и оценивающие свое состояние во время работы; дает возможность диагностирования неисправностей и в конечном итоге получения надежных схем. Следует подчеркнуть, что СС-схемы, работая по фактическим задержкам, тем самым реализуют предельно высокое быстродействие, возможное в данных конкретных условиях. В отличие от схем других типов, у них не предусмотрен «запас быстродействия», и элементы «сами себя синхронизируют». Такая известная операция, как «разгонка» компьютеров, для СС-схем неприменима, поскольку они и так уже «разогнаны» до предела по способу построения. Совокупность приведенных свойств СС-схем является уникальной и присуща только им. Эти свойства обеспечивают целый ряд практически важных преимуществ подобных схем. 1. Отсутствие состязаний сигналов. 2 Устойчивость функционирования (правильность работы) в предельно широком диапазоне внешних условий (температуры и напряжения питания), ограниченном только физиче-

18 1.2. Самосинхронные схемы и их свойства 17 ской работоспособностью транзисторных и топологических структур. 3 Как следствие предыдущего, способность работать при пониженном питании. Это дает возможность снижения энергопотребления и продления срока работы при батарейном питании. 4 Нечувствительность к разбросу и изменению параметров изза старения элементов, т. е. увеличение срока службы. 5 Достоверность обработки информации (отсутствие ошибок). 6 Сравнительно простое построение надежных схем самопроверяемых и отказоустойчивых. 7 Увеличенный выход годных чипов за счет нечувствительности к разбросу параметров. 8 Равномерность токопотребления по сравнению с синхронными схемами за счет отсутствия бросков тока, порождаемых синхроимпульсами. 9 Упрощение тестирования функциональные тесты одновременно являются и диагностическими на выходные КНЗ 01. Платой за перечисленные ценные качества СС-схем являются повышенные затраты по числу транзисторов при их реализации. В зависимости от особенностей схем эти затраты могут быть на % больше, чем для схем других типов. Заметим также, что быстродействие СС-схем определяется двумя взаимно противоположными факторами. Работа по фактическим задержкам увеличивает их быстродействие, однако в их рабочем цикле, наряду с рабочей фазой, присутствует и вспомогательная фаза, что снижает этот показатель. В результате быстродействие таких схем может быть как больше, так и меньше, чем у синхронных аналогов, что зависит от качества проектирования СС-схем. Имеющийся опыт показал, что во многих реальных проектах СС-схем удалось сделать их быстродействие лучше синхронных аналогов. Противоположными факторами обусловлено и энергопотребление СС-схем. Отсутствие тактовых генераторов и цепей разводки синхроимпульсов уменьшает его, но наличие дополнительных транзисторов для обеспечения самосинхронности увеличивает. Все же, как правило, энергопотребление СС-схем ниже, чем их синхронных аналогов. При сравнении синхронных и самосинхронных реализаций надежных схем преимущество последних проявляется по всем параметрам [8] (модельная оценка).

19 18 Глава 1. Введение в самосинхронику 1.3. Экспериментальная проверка уникальных свойств СС-схем С практической точки зрения, крайне интересен и важен вопрос, оправдываются ли теоретически заявленные уникальные свойства в реальных самосинхронных схемах. Об этих свойствах писал и говорил еще Варшавский, но проверить их экспериментально ему не удалось ни в России, ни за рубежом. Доступные публикации по этой теме очень фрагментарны, и обнаружить сообщения о более или менее представительных испытаниях реальных асинхронных схем также не удается. В лучшем случае, как, например, в [9], приводятся данные при изменении температуры и номинальном напряжении 5 В и при изменении напряжения от 3,5 до 6 В и номинальной температуре. Причем проверяемая схема была асинхронной, но не самосинхронной. Полноценные испытания самосинхронных схем проводились в годах в ИПИРАН совместно с НПО «Физика» (г. Москва) и Технологическим центром МИЭТ (г. Зеленоград) [10]. Для начала была разработана простая самосинхронная схема, содержащая запоминающую часть (трехразрядный счетчик), комбинационную часть (трехразрядный сумматор) и Г-триггеры типичные элементы самосинхронных схем (рис. 1.2). Схема работает автономно и циклически. Счетчик увеличивает свое содержимое на единицу каждый рабочий цикл. Сигналы с разрядов счетчика подаются на сумматор и суммируются с внешними сигналами N0 N2, постоянными для каждого эксперимента. Эти внешние (одиночные) сигналы для суммирования преобразуются по правилам построения СС-схем. С помощью Г-триггеров формируется общий сигнал индикации схемы Ind. В эксперименте этот сигнал должен быть замкнут внешней связью с входным управляющим сигналом CC для обеспечения режима самогенерации рабочего режима всех самосинхронных схем. Другие внешние сигналы схемы: Y0 Y3 выходы сумматора и его перенос, Reset установка счетчика, IR индикатор установки счетчика. Приведенная схема была реализована на двух разных предприятиях по двум независимым КМДП-технологиям 3 мкм (НПО «Интеграл», г. Минск, по заказу НПО «Физика») и 1,6 мкм (НПК «Технологический центр» МИЭТ).

20 1.3. Экспериментальная проверка уникальных свойств СС-схем 19 Рис Экспериментальная схема

21 20 Глава 1. Введение в самосинхронику Изготовленные экземпляры СС-схемы помещались в климатическую установку. Эксперименты проводились с помощью простых приборов: регулируемого источника питания, осциллографа и логического анализатора. В экспериментах проверялась правильность работы схем: в разомкнутом состоянии по статическим значениям выходов сумматора, в замкнутом состоянии по характерной периодической картине этих сигналов на осциллографе. Также измерялась собственная частота в режиме самогенерации для оценки быстродействия. На рис. 1.3 и 1.4 приведены результаты экспериментов по проверке работоспособности обеих реализаций (по нескольку экземпляров) данной схемы. Внутренний прямоугольник на рисунках показывает паспортную область работоспособности обычных синхронных микросхем данных типов. Следует отметить, что для синхронных реализаций и в паспортной области нет полной гарантии отсутствия состязаний. В отмеченных точках на рисунках указаны частоты самогенерации (в МГц). Обращает на себя внимание широкий диапазон их значений. Это объясняется тем, что самосинхронные схемы работают без ожидания каких-либо тактовых сигналов и потому с быстродействием, максимально возможным в данных внешних условиях. Рис Область правильной работоспособности первой реализации микросхемы (3,0 мкм)

22 1.3. Экспериментальная проверка уникальных свойств СС-схем 21 Рис Область правильной работоспособности второй реализации микросхемы (1,6 мкм) Левая и правая (температурные) границы областей определялись только возможностями климатической установки. По всей видимости, эти границы могли бы быть расширены, особенно в сторону низких температур. В области низких питающих напряжений образцы СС-схем вели себя в полном соответствии с теорией: при наступлении некоторого порогового напряжения они прекращали работу самогенерация останавливалась, изменения выходов прекращались. При повышении напряжения самогенерация самопроизвольно возобновлялась. На верхних границах областей, показанных на рисунках, все экземпляры были работоспособны. При дальнейшем повышении напряжения они безвозвратно выходили из строя (также с прекращением самогенерации), в зависимости от экземпляра, в диапазоне от 9,5 до 13,5 В для первой реализации и от 14,5 до 15,5 В для второй.

23 22 Глава 1. Введение в самосинхронику На втором этапе экспериментов испытывалось полноценное вычислительное устройство «Микроядро» [11], реализующее основные команды известного 8-битного микроконтроллера PIC18XX и изготовленное по той же 1,6-мкм технологии в ТЦ МИЭТ. Результаты экспериментов по определению диапазонов работоспособности полностью совпали с рис Этот факт позволяет предположить, что область работоспособности зависит скорее не от размера схемы, а от переключательных свойств транзисторных структур, определяемых конкретной технологией. Таким образом, впервые в России (а возможно, и в более широком регионе) проведено прямое экспериментальное исследование ряда теоретически утверждаемых свойств самосинхронных схем: независимости правильной работы от задержек элементов, безопасности функционирования, беспрецедентно широкого диапазона работоспособности Физический подход к достижению самосинхронности Претендентами на самосинхронность иногда считались и считаются схемы с токовыми индикаторами, например [12]. (Подобные работы велись и в группе Варшавского, но доступных ссылок найти не удалось.) Данная идея относится к КМДП-схемам и состоит в том, что ток в таких схемах (не считая утечек) протекает только во время переходных процессов. Предлагается для определения окончания переходных процессов в некоторой схеме поставить индикатор общего протекающего через нее тока. Такой подход, однако, не гарантирует самосинхронности. Токовая индикация не обеспечивает отсутствие гонок, например, при соединении параллельных ветвей схемы. Отказобезопасность также не гарантируется: если в измеряемой схеме появляется неисправность, то индикатор не обязательно отреагирует достаточным изменением тока, а во многих случаях будет продолжать работать. По названным причинам подобную физическую реализацию, наряду с «индикатором» в виде параллельной цепочки инверторов, следует отнести к квази-самосинхронным (разновидность асинхронных) решениям. Дополнительным недостатком токовых индикаторов становится сам факт введения аналоговых компонентов в цифровые схемы,

24 [...]

25 Минимальные системные требования определяются соответствующими требованиями программы Adobe Reader версии не ниже 11-й для платформ Windows, Mac OS, Android, ios, Windows Phone и BlackBerry; экран 10" Научное электронное издание Плеханов Леонид Петрович ОСНОВЫ САМОСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ Редактор Т. Г. Хохлова Художественный редактор Н. А. Новак Технический редактор Е. В. Денюкова Корректор Е. Н. Клитина Компьютерная верстка: В. И. Савельев Подписано к использованию Формат мм Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» , Москва, проезд Аэропорта, д. 3 Телефон: (499)

26 Леонид Петрович Плеханов кандидат технических наук, автор около 70 научных публикаций. Область научных интересов: функционально-логическое проектирование микросхем, САПР БИС, самосинхронная схемотехника. Самосинхронные дискретные электронные схемы, обладающие уникальной совокупностью свойств, незаслуженно обделены вниманием в электронике. Их практическая реализация по историческим причинам пока затянулась частично из-за господства синхронных схем, частично из-за трудностей их понимания и проектирования. Отечественная школа в этом направлении основана В. И. Варшавским и признана в научном мире. Работы по самосинхронной схемотехнике продолжаются и развиваются в Институте проблем информатики РАН (ИПИ РАН), сайт

Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6 Простейшие электронные схемы с описанием работы6

Изучаем далее:



Схема прохождения локаций

Зил 5301 ремонт своими руками

Русское радио поздравления с днем рождения сегодня

Как сделать жидкость для ультразвуковой ванны

Бисероплетение осьминог схемы